焊接工藝對焊縫金屬柱狀晶形態的影響研究

涂治略

摘要：本文通過對主梁對接接頭試樣進行金相組織分析、顯微形貌觀察，借助能譜儀進行成分分析，分析不同焊接工藝狀態下，焊接接頭各區域所發生的變化。通過對顯微組織進行深入的分析，定性地把握焊接工藝對其所帶來的影響，推斷接頭性能變化。通過焊接工藝改進，減少或消除實際生產中缺陷的發生，為獲得高質量的焊接接頭提供保障。

關鍵詞：焊接工藝；顯微組織；焊接缺陷

中圖分類號：P755.1 文獻標識碼：A

隨著生產力的發展，起重機作為重要的運輸設備，在各個領域的應用越來越普及。為了能夠進一步提高起重機在實際生產應用中的安全性，對起重機的重要部件--主梁的焊接工藝進行研究十分有意義。

對于低碳鋼的焊接，其焊縫組織為一次凝固組織經二次相變而形成的。一次結晶組織是熔化液體金屬經形核和長大完成結晶時的高溫組織形態。熔化金屬的結晶直接影響焊縫金屬的組織，對焊縫性能起重要作用，焊接過程中許多缺陷，如：氣孔、夾雜、偏析，尤其是裂紋等，也都是在熔化結晶過程中產生的，因而，焊縫金屬的結晶形態及一次組織對控制焊接質量具有十分重要意義。

1試驗

1.1試驗材料及設備

試驗所用的母材為Q235B。分別采用CO2半自動焊接和電弧焊焊接工藝進行焊接。其中，CO2氣體保護焊所用焊絲為TWE-711，直徑為1.2。熔敷金屬的化學成分見表1-1。

表1-1 熔敷金屬的化學成分

元素 C Mn Si S P

質量分數ω% 0.036 1.40 0.52 0.011 0.013

設備名稱為CL500氣保焊機。

手工電弧焊所用焊接材料為J507焊條， 熔敷金屬的化學成分見表1-2。

表1-2J507焊條熔敷金屬的化學成分

化學成分 C Mn Si S P Ni Mo Cr V

熔敷金屬ω% 0.08 1.10 0.45 0.020 0.020 0.15 0.15 0.10 0.05

設備名稱為500交流焊機。

1.2 焊接工藝

在CO2氣體保護時采用的焊接工藝參數見表1-3。

表1-3 CO2氣體保護焊焊接工藝參數

焊絲 焊接方法 電流 電壓 焊接速度 送氣速度

TWE-711 手工焊 200～260A 36V 0.35m/min 15～20L/min

手工電弧焊接試驗參數見表1-4。

表1-4 手工電弧焊接試驗參數

焊條 焊接方法 電流 電壓 焊接速度

J507 手工焊 210A 21V 140mm/min

J507 手工焊 150A 21V 170mm/min

焊后經X射線探傷，將產生焊接缺陷的部位用線切割方法取出，用于微觀分析。另外，從表1-4中兩組試驗數據所對應的試樣中分別取出四塊，標號依次為：1、2、3、4與5、6、7、8，并對其進行金相顯微分析。

2試驗結果及分析

由圖可明顯的觀察到焊縫中典型的柱狀晶組織。由于焊接方法、焊接線能量等工藝參數的不同，使得焊縫中顯微組織形貌呈現出許多差異。在圖1-1中，柱狀晶十分明顯，且非常粗大，這是由于焊縫中的液態金屬在凝固過程中在固液界面前沿的液態金屬中存在較大的成分過冷，又由于柱狀晶的生長方向與液態金屬凝固時的散熱方向一致性較強，從而促進了柱狀晶的生長，在金相照片中可看到方向性很強的粗大的柱狀晶。圖1-4為手弧焊焊縫的金相顯微照片，可以看出，照片中的柱狀晶具有一定的方向性，但不如圖1-1中的柱狀晶明顯粗大，這與其焊接方法不同而造成的熱輸入量或許有關。

圖1-2與圖1-3是在不同的焊接線能量條件下得到的金相顯微照片。在這兩張照片中，柱狀晶的方向性不是特別明顯，但依稀可以看出圖1-2較圖1-3方向性強一些，這是由于線能量的不同所造成的。在其它相關因素一定的情況下，焊接電流小時，熱輸入量也小，那么，熔合區附近過熱程度小，結晶時溫度梯度大，在焊縫金屬的固液界面前沿的液相中存在較小的成分過冷，不利于柱狀晶的生長；而當線能量較大的時候，意味著熱輸入量較大，那么，熔合區附近過熱程度大，溫度梯度小，成分過冷度增加，促進焊縫中柱狀晶的生成。在上面四幅圖片中均可看到先共析鐵素體的生成，只是鐵素體的形貌存在很大差異。在圖1-1中可以看到塊狀的生于奧氏體晶界上的自由鐵素體。這種鐵素體形成于高溫，在奧氏體晶界上形核，然后長大形成完全擴散型的轉變產物。在圖1-1中還可看到在原始奧氏體晶粒內生成針狀的鐵素體。由文獻[1]介紹，一般針狀鐵素體都是2μm 厚，相鄰鐵素體晶粒之間取向大于20°，針與針之間分布著過冷奧氏體的轉變產物，它可能是珠光體型的鐵素體-碳化物復合組織，也可能是M-A組織。晶內針狀鐵素體的形成溫度要低于魏氏組織鐵素體，在原始奧氏體晶粒內以平行的針狀(片狀)構成一定的幾何形狀，即所謂筐籃狀結構。從圖1-4中可以觀察到粗大的針狀鐵素體，有時也被稱為魏氏組織鐵素體，在粗大的針狀鐵素體之間夾雜著少量的細小的針狀鐵素體。然而，我們理想的焊縫中應當分布著較多的細小針狀鐵素體，因為細小的針狀鐵素體能夠有效的提高接頭的韌性。如果是粗大的鐵素體出現于焊縫，意味著在粗大的鐵素體之間存在著粗大的滲碳體，粗大的滲碳體對基體產生割裂作用，當焊接構件受到外加載荷的拉伸作用時，由于粗大滲碳體的割裂作用，再加上滲碳體較差的塑變性能，使得接頭在較小的拉伸力作用下因無法以較大的塑變來緩和外加應力而發生斷裂破壞。對于密集的細小針狀鐵素體，由于鐵素體之間的滲碳體細小，對滲碳體基體不會產生不利的割裂作用。

圖1-3 2號試樣焊縫顯微組織（×100）圖1-4手弧焊焊縫顯微組織（×100）

相反，當外加載荷作用于構件時，通過分布于鐵素體基體上的細小滲碳體的滑移來緩和應力集中，能夠有效的提高接頭的韌性，尤其是沖擊韌性。在圖1-1與圖1-4中出現的鐵素體，尤其是在原奧氏體晶界上出現的先共析鐵素體的形態差異如此大，我個人認為這與焊接方法不同而造成的熱輸入量不同有關。此處手工電弧焊焊條的直徑遠大于CO2氣體保護焊焊絲，其熔化焊條所輸入的熱量要遠大于CO2焊的熱輸入量。而先共析鐵素體的產生是一種擴散相變的產物，它受溫度的影響較大.溫度越高，冷卻越緩慢，那么擴散越充分，晶界上析出較多大塊的鐵素體，見圖1-4。在圖1-2與1-3中，由于線能量不同，在原奧氏體晶界上析出的鐵素體形態存在差異。圖1-2中，晶界上的先共析鐵素體比較粗大，其中細小的針狀鐵素體較少，這與其較大的焊接線能量有關。由于較大的線能量輸入，使得在圖中可以看到魏氏組織鐵素體，嚴重影響了接頭的性能。在圖1-3中，由于焊接線能量較小，先共析鐵素體較圖1-2中的要小很多，鐵素體幾乎成條狀，沒有出現明顯的魏氏組織鐵素體，并且，在原奧氏體晶粒內出現針狀鐵素體，有效的提高接頭的沖擊韌性。因此，合理地熱輸入量對獲得滿意的焊縫組織是十分重要的。

3 結論

通過焊接工藝改進，減少或消除實際生產中缺陷的發生，為獲得高質量的焊接接頭提供保障。

參考文獻

[1] 鄒家生. 材料連接原理與工藝[M]. 哈爾濱工業大學出版社. 2005:78～86.